Semiconductores de banda ancha

Las brechas de banda miden la energía necesaria para que los electrones y los huecos pasen de sus respectivas bandas de valencia a las bandas de conducción, o bandas de conducción. Los semiconductores con huecos de banda más anchos, como el nitruro de galio (GaN) o el carburo de silicio (SiC), poseen huecos de banda significativamente mayores que el silicio estándar, lo que hace que estos materiales sean adecuados para aplicaciones de alta tensión/frecuencia.

1. Brecha de banda ancha

El carburo de silicio combina las mejores características de los semiconductores y los aislantes para formar un bloque de construcción extremadamente versátil para diversos dispositivos electrónicos. Una de sus características distintivas es su amplio intervalo de banda, que permite voltajes y temperaturas mucho más elevados que los materiales semiconductores tradicionales como el silicio. En los próximos años, los semiconductores de banda ancha podrían transformar significativamente los sectores de la electrónica y la alimentación eléctrica.

La brecha de banda de un semiconductor se refiere a la diferencia de energía entre sus bandas de valencia y de conducción. A medida que aumentan sus diferencias energéticas, los electrones pueden moverse más fácilmente entre estas bandas para conducir la electricidad con mayor facilidad. Los semiconductores tradicionales, como el silicio, tienen separaciones de banda de entre 1 y 1,5 eV, mientras que los semiconductores de banda ancha, como el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC), presentan separaciones de banda de entre 2,3 y 3,3 eV.

Los semiconductores de banda prohibida ancha presentan varias ventajas sobre sus homólogos de silicio, como su capacidad para soportar temperaturas de funcionamiento y tensiones de ruptura más elevadas, lo que los hace idóneos para su uso en fuentes de alimentación, donde pueden reducir las pérdidas de energía al tiempo que aumentan el rendimiento y reducen las pérdidas de eficiencia. Además, los semiconductores de banda prohibida ancha presentan una elevada conductividad térmica que permite disipar más rápidamente el calor generado por los dispositivos.

Los semiconductores de banda ancha ofrecen excelentes propiedades optoelectrónicas y pueden ajustarse fácilmente, lo que los hace idóneos para su uso en diodos emisores de luz (LED) que producen un amplio espectro de longitudes de onda visibles, producen más luz por vatio y reducen el consumo de energía y el impacto ambiental.

2. Alto campo de ruptura

La amplia banda de separación del carburo de silicio proporciona una gran cantidad de energía para que los electrones viajen a través de su estructura semiconductora, lo que le permite funcionar a temperaturas, tensiones y frecuencias más elevadas que los dispositivos fabricados con otros materiales semiconductores, como el arseniuro de galio o el silicio estándar. Además, su elevada intensidad de campo eléctrico de ruptura permite reducir el tamaño de los dispositivos y aumentar la velocidad de conmutación.

El carburo de silicio destaca entre sus homólogos por su gran bandgap y resistencia a la ruptura, pero también por su alta velocidad pico de velocidad de electrones saturados, que reduce la corriente de fuga de los dispositivos al tiempo que mejora la eficiencia de los dispositivos electrónicos.

El carburo de silicio ofrece importantes ventajas de resistencia frente a otros materiales semiconductores, lo que permite montar dispositivos en sustratos más pequeños para ahorrar espacio y peso. Además, su excelente conductividad térmica permite disipar rápidamente el calor de su semiconductor y esta característica hace que el carburo de silicio sea especialmente adecuado para aplicaciones de alta potencia.

El elevado campo de ruptura del carburo de silicio se debe a que su brecha de banda más ancha requiere un mayor campo eléctrico para generar portadores por impacto, lo que conduce a una mayor velocidad de los electrones de saturación y, por tanto, a una mayor velocidad de los electrones de saturación; como resultado, la tensión de resistencia del carburo de silicio es aproximadamente cinco veces superior a la del silicio estándar.

El carburo de silicio 2D (comúnmente conocido como SixCy) ofrece muchas propiedades sintonizables, como su banda prohibida directa y sus propiedades de absorción óptica. Para ajustar su estructura de bandas, basta con modificar su composición en función de la composición de Si/C, la tensión mecánica y los defectos presentes en la composición del material.

El carburo de silicio destaca entre los materiales de alta temperatura por sus superiores propiedades térmicas y eléctricas, lo que lo convierte en una excelente elección de material. El carburo de silicio, que funciona a temperaturas de entre 1700 y 1800 grados centígrados, tiene una excelente durabilidad frente a la exposición a la radiación y la corrosión química, además de ofrecer una alta densidad de potencia y velocidad de conmutación, por lo que admite múltiples elementos de circuito dentro de un mismo encapsulado.

3. Alta conductividad térmica

El silicio está ampliamente considerado como el principal material semiconductor para aplicaciones electrónicas, pero sus limitaciones empiezan a hacerse patentes, sobre todo en aplicaciones de alta potencia. Debido a su baja separación de banda de sólo 1,2 eV, el silicio requiere más energía para la conductancia en comparación con otros materiales; por otro lado, el carburo de silicio tiene una separación de banda mucho mayor, de 3,26 eV, que le permite manejar casi diez veces más campos eléctricos que los que puede manejar su homólogo de silicio.

El carburo de silicio presenta una excelente conductividad térmica debido a su estructura atómica única: mientras que el silicio en bruto tiene enlaces tetragonales sp3, las capas monocapa de SiC presentan enlaces planares sp2 y, por tanto, tienen distancias entre capas más cortas que el silicio en bruto, lo que facilita la migración de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción.

El carburo de silicio es un material excelente para los dispositivos semiconductores de potencia gracias a su gran brecha de banda y a su tolerancia a la temperatura y la tensión.

La conductividad térmica del SiC también aumenta con el número de capas debido a la transición de una estructura de banda prohibida directa a una estructura de banda prohibida indirecta, de forma similar al MoS2 y otros TMD; sin embargo, hasta hace poco sólo se había informado de monocapas de 3C-SiC con conductividades térmicas elevadas a niveles teóricos.

Investigadores de la Escuela de Postgrado de Ingeniería de la Universidad Metropolitana de Osaka han hecho historia al crear con éxito cristales de 3C-SiC independientes y películas finas de SiC sobre sustratos de Si con una elevada conductividad térmica a nivel teórico. Utilizando diversas técnicas de análisis a nivel atómico, identificaron conexiones ocultas entre los factores que afectan a la conductividad térmica del LPS-SiC.

4. Estabilidad a altas temperaturas

El carburo de silicio (SiC) es un material excepcionalmente duradero en condiciones ambientales. Es un semiconductor refractario compuesto por tetraedros de Si4C apilados en estructuras cristalinas cúbicas, hexagonales o romboédricas según la secuencia de apilamiento. El SiC es uno de los materiales cristalinos termodinámicamente más estables que se conocen, ya que sólo se deforma significativamente a altas presiones extremas debido a que los átomos de carbono conservan sus orbitales p-conjugados y mantienen una estructura de enlace sp2 dentro de sus estructuras cristalinas.

El SiC sigue siendo uno de los materiales más difíciles de sintetizar y se han realizado muchos estudios sobre sus propiedades mecánicas en diferentes condiciones. El apilamiento atómico determina la resistencia; el SiC monocapa es su forma más fuerte. Por desgracia, su fragilidad lo convierte en uno de los materiales bidimensionales más difíciles de exfoliar.

El SiC 2D posee notables propiedades ópticas no lineales debido a su singular estructura atómica. Los estudios han demostrado un sólido espectro de generación de segundo armónico, esencial en los dispositivos de conversión de frecuencias no lineales a nanoescala, probablemente causado por las interacciones excitónicas entre los átomos de silicio y carbono de sus moléculas.

El SiC 2D destaca como un material atractivo para aplicaciones optoelectrónicas como los LED y los láseres debido a sus propiedades únicas. Posee una brecha de banda sintonizable que puede controlarse alterando la composición de la pila de Si/C y la tensión mecánica, lo que permite a los fabricantes producir dispositivos emisores de luz que cubren todo el espectro visible. Además, su bajo coeficiente de dilatación térmica, su dureza y su rigidez lo convierten en un material adecuado para los espejos de los telescopios astronómicos.

5. Excelente conductividad eléctrica

Los sustratos de carburo de silicio pueden soportar campos eléctricos diez veces superiores a los de silicio y presentan menor resistencia, lo que significa que es posible utilizar circuitos de control más pequeños para aplicaciones de alta potencia, lo que proporciona convertidores de potencia con menos pérdida de energía y mayor eficiencia. Esto hace que el interruptor merezca la pena para cualquier aplicación de alta potencia.

El carburo de silicio ofrece una gran conductividad eléctrica gracias a su banda de separación más ancha que la del silicio, que proporciona a los electrones más energía para la transición de la banda de valencia a la banda de conducción, lo que se traduce en una menor resistencia eléctrica y una mayor velocidad de conmutación.

La menor tolerancia a la temperatura del carburo de silicio en comparación con muchos otros materiales semiconductores es también otra ventaja que ayuda a mejorar el rendimiento, y su rápido tiempo de recuperación inversa lo hace especialmente adecuado para aplicaciones que requieren tiempos de respuesta rápidos.

El carburo de silicio ofrece un impresionante espectro de propiedades ópticas no lineales que pueden ayudar a mejorar los dispositivos de conversión de frecuencia. Sus características precisas dependen de factores como la proporción atómica entre Si y C en cada capa, así como de la estructura y la distribución de defectos dentro del material.

El carburo de silicio comparte muchas características con otros materiales bidimensionales como el grafeno y el h-BN; sin embargo, el carburo de silicio monocapa destaca por algunas propiedades únicas que no se encuentran en ningún otro lugar. En concreto, presenta una estructura plana estable como material de banda prohibida directa y una movilidad de electrones superior a la del h-BN o el fósforo negro, lo que lo convierte en un candidato atractivo para futuras aplicaciones electrónicas.