Sustrato de carburo de silicio

El carburo de silicio es un material innovador con numerosas ventajas sobre el silicio, en particular su mayor tensión de ruptura y menor resistencia en ON, que permiten sistemas electrónicos de potencia más eficientes.

La producción de sustrato de carburo de silicio requiere equipos especiales y lleva mucho tiempo. El primer paso consiste en crear un gran cristal llamado boule que luego se corta en obleas para su posterior procesamiento.

Es un buen conductor del calor

Los sustratos de carburo de silicio (SiC) se han convertido en un elemento esencial de la electrónica de potencia por sus propiedades superiores. Con una mayor eficiencia y una conductividad térmica superior a la de los sustratos de silicio, los sustratos de SiC son muy adecuados para aplicaciones que consumen mucha energía, como los vehículos eléctricos y los sistemas de energías renovables que requieren altos voltajes.

El SiC es un material semiconductor muy denso con una amplia banda prohibida que permite a los electrones moverse rápidamente a través de él, lo que le da una ventaja sobre el silicio, que tiene una banda prohibida más estrecha. Además, este intervalo más amplio facilita la transferencia de electrones entre capas, lo que mejora el rendimiento general del dispositivo.

El carburo de silicio posee excelentes propiedades eléctricas y térmicas, además de una resistencia mecánica muy elevada. Esto lo convierte en un material excelente para materiales resistentes al desgaste y herramientas de corte; además, su resistencia a temperaturas extremadamente altas lo hace útil como material de revestimiento de hornos industriales y su extrema dureza lo hace adecuado para fabricar componentes para bombas y motores de cohetes que soporten el desgaste por uso.

El carburo de silicio es un compuesto sintético de silicio y carbono extremadamente duro. Aunque existen ejemplos naturales como la moissanita, la mayoría se produce sintéticamente mediante una reacción de Acheson, en la que la arena de sílice y el carbono se calientan a altas temperaturas hasta que su mezcla forma una bola hexagonal, que posteriormente se corta en obleas para utilizarlas como sustrato.

El carburo de silicio se distingue del silicio por su menor resistencia en estado encendido y su mayor banda prohibida, lo que lo convierte en un material excelente para aplicaciones de alta potencia. Esto les permite reducir el tamaño de los dispositivos al tiempo que mejoran su rendimiento; además, su baja resistencia en estado ON los hace muy adecuados para sistemas fotovoltaicos y aplicaciones microelectrónicas.

Los sustratos de carburo de silicio se utilizan ampliamente como material resistente a la abrasión, incluidos los condensadores y aisladores cerámicos. Además, su dureza los hace útiles en forma de muelas abrasivas y papel de lija con una reducida resistencia al desgaste. Además, los sustratos de carburo de silicio son un material esencial utilizado en el grabado con carborundo -una técnica calcográfica en la que se recubre grano de carborundo sobre placas de aluminio para crear marcas impresas-, una forma de arte cada vez más popular.

Es un buen conductor de la electricidad

El carburo de silicio es un excelente conductor de la electricidad y puede utilizarse en numerosas aplicaciones electrónicas. Presenta bajas corrientes de fuga y resistencias en estado encendido, ambos parámetros esenciales en aplicaciones de alta frecuencia. Además, el carburo de silicio tiene una conductividad térmica tres veces superior a la de su homólogo de silicio y es resistente a los daños por radiación.

La alta tensión nominal del carburo de silicio lo convierte en un material excelente para dispositivos de conmutación de alta velocidad utilizados en accionamientos de motores eléctricos y sistemas electrónicos de potencia. Estos dispositivos son capaces de soportar temperaturas y tensiones extremas sin afectar a su rendimiento, y son más pequeños y ligeros que sus homólogos de silicio. Además, los dispositivos de carburo de silicio conmutan diez veces más rápido, lo que aumenta la eficiencia y permite a los diseñadores reducir el tamaño de los sistemas.

La singular estructura atómica del carburo de silicio contribuye a sus propiedades semiconductoras. Cristaliza en estructuras compactas caracterizadas por átomos unidos covalentemente dispuestos en dos tetraedros de coordinación primaria con cuatro átomos de carbono y cuatro de silicio unidos en sus esquinas formando enlaces covalentes entre los átomos de carbono y silicio; estos tetraedros pueden conectarse a través de sus esquinas para formar estructuras de tipo poliedro: 3C-SiC es su polipo de celda unitaria cúbica, mientras que 6H-SiC o 15R-SiC son otros ejemplos de materiales semiconductores que se encuentran dentro de los materiales semiconductores.

El SiC suele ser un material aislante en estado puro, pero puede presentar semiconductividad cuando se dopa con impurezas mediante dopaje, un proceso a nivel atómico que se produce tras el dopaje con impurezas. El SiC está clasificado como material semiconductor con una separación de banda de 1,5eV y una afinidad intrínseca por los electrones de aproximadamente 0,1mJ/cm, lo que lo convierte en uno de los materiales semiconductores con menor separación de banda.

El carburo de silicio, a diferencia del silicio, es un material no metálico insoluble tanto en agua como en alcohol. Debido a su dureza, durabilidad, resistencia a la corrosión, alto punto de fusión y dureza hace que el carburo de silicio sea muy versátil en maquinaria industrial como cojinetes de bombas y válvulas, así como para su uso en procesos de bruñido, rectificado, corte por chorro de agua y lapidario. Debido a estas características también ha ganado gran popularidad como material lapidario económico.

Las propiedades del carburo de silicio lo convierten en un material ideal para los sistemas de carga rápida de los vehículos eléctricos (VE). Según un estudio de Goldman Sachs, el uso del carburo de silicio en sistemas inversores podría aumentar la autonomía de los vehículos eléctricos en 30% y reducir los costes de almacenamiento de las baterías en 20%, en comparación con el uso exclusivo de baterías de litio. Además, Goldman Sachs predice que podría ayudar a racionalizar los diseños de los VE, haciéndolos más ligeros y más eficientes energéticamente.

Es un buen conductor del sonido

El sustrato de carburo de silicio es un material semiconductor no oxidado con muchas características deseables. Puede conducir eficazmente tanto el calor como la electricidad, tiene una excelente durabilidad y propiedades de resistencia a la corrosión, lo que lo hace adecuado para muchas aplicaciones diferentes. Su naturaleza duradera y su versatilidad hacen del sustrato de carburo de silicio un material excelente para muchos fines distintos.

El carburo de silicio es un eficaz conductor del sonido, lo que lo hace perfecto para aplicaciones aeroespaciales. Sin embargo, su naturaleza quebradiza y su elevada dureza dificultan su procesamiento. Para superar estas dificultades, las empresas están desarrollando nuevos métodos de procesamiento que permiten una producción rentable de carburo de silicio.

Uno de estos métodos es el grabado asistido por plasma, que utiliza plasma de alta energía para eliminar los contaminantes de las superficies de los sustratos de carburo de silicio. Esta técnica tiene el potencial de mejorar el rendimiento de los dispositivos semiconductores sin dañar el medio ambiente; además, este proceso tiene la capacidad de aumentar la resistencia crítica a la ruptura y la temperatura operativa del carburo de silicio para competir mejor con los semiconductores de silicio.

Otra forma de mejorar el rendimiento del carburo de silicio es mediante el crecimiento epitaxial. Esta técnica se basa en el hecho de que el carburo de silicio contiene diferentes capas de átomos con sus propias propiedades eléctricas; este proceso no solo aumentará el rendimiento de los dispositivos, sino que también puede reducir los costes al eliminar los costosos sustratos de zafiro u obleas de los costes de fabricación.

Los sustratos de carburo de silicio se emplean con frecuencia en los sistemas de transporte de vehículos eléctricos debido a su capacidad para soportar temperaturas y voltajes más elevados que los dispositivos basados en silicio, y a su ligereza y alta densidad energética, lo que los hace idóneos para los sistemas de propulsión de vehículos eléctricos. Además, el reducido riesgo de daños por radiación del carburo de silicio lo hace ideal para su uso como material eVTOL, al tiempo que posee propiedades mecánicas superiores a las de su rival, el carburo de boro.

Los MOSFET de carburo de silicio ofrecen una eficiencia energética superior y un coeficiente de expansión térmica inferior, lo que los hace perfectos para empaquetar más transistores en un chip. Gracias a esta propiedad, los MOSFET de carburo de silicio son la opción ideal para teléfonos móviles y ordenadores portátiles, ya que son más compactos y presentan menos pérdidas por conmutación que los MOSFET de silicio.

Es un buen conductor de la luz

El carburo de silicio (SiC) es un material extremadamente duro con múltiples usos. Gracias a su estructura atómica, el SiC es un excelente conductor de la electricidad y la luz, así como resistente a la corrosión y las altas temperaturas. Como tal, constituye una excelente elección para su uso como revestimiento refractario en hornos industriales, así como en herramientas de corte, desde finales del siglo XIX para su uso como papel de lija, muelas abrasivas y herramientas de corte; en entornos hostiles, constituye una excelente elección como material para cojinetes de bombas, componentes de carcasas de bombas, así como matrices de extrusión e inyectores.

La singular estructura atómica del carburo de silicio permite doparlo con diversas impurezas, produciendo semiconductores de tipo p o de tipo n en función del dopante que se le introduzca. El aluminio crea semiconductores de tipo p, mientras que el galio crea semiconductores de tipo n. Además, también puede doparse con nitrógeno y fósforo para conseguir superconductividad, propiedades que hacen del carburo de silicio un material ideal para aplicaciones de semiconductores de potencia.

Los semiconductores de carburo de silicio presentan una excelente conductividad eléctrica y bajos costes de fabricación en comparación con otras formas de semiconductores, lo que convierte al carburo de silicio en una alternativa económica para dispositivos electrónicos de alta potencia como tiristores, diodos de potencia y transistores. Además, su amplia banda prohibida permite una fabricación más sencilla a temperaturas más bajas, lo que los hace perfectos para su uso a altas temperaturas como, por ejemplo, para soportar altas temperaturas en aplicaciones de equipos electrónicos como tiristores de electrónica de alta frecuencia, diodos de potencia y transistores.

Uno de los principales usos del carburo de silicio es como sustrato para diodos emisores de luz (LED). Gracias a su gran tenacidad a la fractura y a su resistencia al desgaste y la corrosión, el carburo de silicio es una opción fantástica para aplicaciones de alta potencia como los LED y los fotodetectores UV, mientras que su baja caída de tensión directa y su rápida recuperación le permiten funcionar incluso a temperaturas elevadas.

Los diodos Schottky de carburo de silicio pueden utilizarse como capas antirreflectantes en fuentes de luz, láseres y tiristores. Además, son adecuados para aplicaciones que requieren una alta tensión de ruptura, ya que tienen precios más económicos que los semiconductores de silicio y ofrecen un rendimiento de circuito más rápido que sus homólogos de silicio.

La moissanita puede encontrarse de forma natural en meteoritos y depósitos de corindón; sin embargo, prácticamente todo el carburo de silicio que se vende hoy en día es sintético. Compuesto de átomos de silicio y carbono con un índice Mohs extremadamente duro de 9, este compuesto puede fabricarse en obleas de 15 centímetros para producirlo y venderlo comercialmente.